基于煤岩学探讨兰炭在炼焦配煤的适合度

2022-11-09 08:34张学梅马青华郝静远

煤化工 2022年5期

张学梅，马青华，郝静远，李东

（1.西安思源学院，陕西西安 710038；2.西安交通大学，陕西西安 710038）

我国褐煤和长焰煤的储量巨大，但是这类低阶煤含水量较高、发热量较低，不适宜长距离运输。为了更好地利用这些资源，国内开展了一系列改善低阶煤煤质、提高其加工利用适用性的提质工艺和过程的研究[1]。长焰煤的低温干馏热解已实现产业化。根据市场经济的规则，只有将低温干馏所产生的气、液和固三种产品都变为在市场能够流通的商品，并让这些商品总的销售价格超出提质工艺所需的总费用，才能真正推广长焰煤的低温干馏热解。国内已经有了成熟的工艺利用煤气和焦油，并达到充分发挥其价值；兰炭利用方面，则可以用其制备洁净型煤或型焦燃料[2]、电石[3]，作为水处理剂[4]、钢铁冶炼烧结料[5]等。为了进一步拓展兰炭应用范围、降低炼焦成本、扩大炼焦资源，有学者尝试在40 kg小焦炉添加兰炭配煤炼焦，研究其对焦炭质量及生产的影响，结果表明，通过合理调整原有基础配煤结构，配入不超过2%的兰炭仍可以保持焦炭质量[6]，可一定程度降低焦炭生产成本。但这2%的兰炭配入量却远不如未提质低阶煤的配入量，刘皓[7]在研究榆林低阶煤的配入量对焦炭性能的影响后证实：综合所生产焦炭各项性能指标，10%的低阶煤配入量是适宜的，即使在低阶煤配入量为12%时，焦炭的抗碎强度和耐磨强度还能达到三级冶金焦标准。目前还没有文章从煤岩学的角度证实低阶煤在低温干馏过程中实现提质、解释低阶煤提质后的兰炭在炼焦中配入量远不如未提质低阶煤的配入量，为此，本文将制备不同干馏程度的兰炭样品并进行煤岩分析，用煤岩结果来探讨以上两个问题。

1 热解实验

采用HYLZ-2型铝甑低温干馏炉实施干燥脱水、轻微热解、强烈热解[8]，共取7个样品。将3 kg产于鄂尔多斯盆地神府-东胜煤田的长焰煤在粉碎机过筛后，放入60℃烘箱中烘烤2 h取出，在空气中冷却装入塑封袋并放入干燥皿中作为起始样备用。在每次新实验开始时，加入甑中的起始样均为70.0 g。将起始样按5℃/min恒速从20℃升至245℃后，取作干燥脱水样；将起始样按5℃/min恒速从20℃升至245℃后停留5 min，再从245℃升至460℃后立刻终止反应，取作轻微热解样；将起始样经过干燥脱水阶段和轻微热解后，在460℃恒温5个不同停留时间（分别为20 min、60 min、120 min、200 min、320 min），取作5个强烈热解样。按GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》将8个样品（包括起始样）制备成光学片做镜质体反射率测试。

2 样品的镜质体反射率

用MSP-9000C煤岩仪做镜质体反射率全自动分析。因为起始样检测结果报告显示神府-东胜煤田的长焰煤是单一煤层煤，所以其余7个固体样品检测结果报告也都必须是单一煤层煤。所有样品的采样比例均＞5%以符合采样要求。8个样品的平均最大反射率（Rmax）随低温干馏时间、温度变化趋势见图1。

图1 Rmax随低温干馏时间、温度变化趋势

从图1可以看出，Rmax在整个低温干馏过程中都是升高的，数值由起始样的0.576%增大到1.730%，煤种由长焰煤变为了瘦煤，这也意味着在整个低温干馏过程中，长焰煤是按照气、肥、1/3焦、焦、瘦、贫瘦煤的路径不断提质的。在以5℃/min恒速从245℃升温至460℃时，即轻微热解阶段，Rmax升高速度最快，其次是从20℃升温至245℃的干燥脱水阶段，升高速度最慢的是在460℃强烈热解阶段。我国炼焦配煤的4大煤种分别为气、肥、焦、瘦，不包括长焰煤。从Rmax随低温干馏时间、温度增高趋势看，低温干馏是将不适合配煤炼焦的长焰煤提质到适合配煤炼焦的焦煤、瘦煤、贫瘦煤，从理论上说，炼焦时兰炭的配入量应该比长焰煤的配入量大才是，但长焰煤和提质后的兰炭配入量[6-7]的实验结果却显示相悖的结论。

3 显微组分含量变化

阿莫索夫和夏皮罗法（简称阿-夏法）是最早和最具代表性的将煤显微组分种类、含量和镜质组反射率分布结合的煤岩显微组分分析方法[9]。阿-夏法定义强度指数SI（strength index，无量纲）表示配煤中活性组分的强度，定义组分平衡指数CBI（component balance index，无量纲）来衡量组分是否达到平衡并处在最佳配比。

在阿-夏法的煤岩理论基础上，有学者又创新了模糊集合配煤方法[10-11]，而阿-夏法的SI与模糊集合法的类强度指数集合（PSI）有着互相关联的数学关系，见式（1）。

式中：R为煤岩显微组分的活惰比；ai为反射率组型为i时对应活性组分含量为x时焦炭的强度指数；xi为反射率为0.3%～2.1%时活性组分占煤岩显微组分的质量分数；PSIi为反射率组型为i时的类强度指数；下角标i为0.3%～2.1%半阶分反射率。

阿-夏法的CBI与模糊集合法的类组分平衡指数集合PCBI有着互相关联的数学关系，见式（2）。

式中：bi为反射率组型为i时的最佳活惰比；PCBIi为反射率组型为i时的类组分平衡指数。

用MSP-9000C煤岩仪测得8个样品的活惰比和数值型随机反射率分布，并按式（1）和式（2）可以计算出SI和CBI。低温干馏实验的SI、CBI随时间变化见图2。

图2 低温干馏实验的SI、CBI随时间变化图

从图2可以看出，8个样品的SI和CBI在整个低温干馏过程中都是升高的。在低温干馏实验的前113 min，即包括干燥脱水阶段、轻微热解阶段和强烈热解阶段的最初20 min，SI与相对应的CBI数值十分接近，但在之后的4组数据中，CBI大于SI。在强烈热解阶段惰质体比镜质体的变化更明显，SI曲线在此阶段中升高的较平缓，即提质效果不明显，这与Rmax与时间、温度的关系是一致的。

4 不适合参数

因没有进行小型焦炉试验，本文采用平面解析几何常用的求两点间距离的数学方法来比较8个样品在配煤炼焦中的优劣，即先选定一个合适的SI-CBI配煤炼焦区，并在区中定出最佳SI-CBI值，再求所有样品的SI-CBI数值与最佳SI-CBI值间的距离。

4.1 合适的配煤炼焦区

有学者用模糊集合配煤处理云南煤业能源安宁分公司炼一级冶金焦数据，得出“安宁公司配煤区”的SI=4.75～5.69与CBI=0.89～1.32[11]。另有学者列出SI=3.8～4.5与CBI=0.8～1.4的矩形区为“各国常用配煤区”[12]。8个样品的SI-CBI数值及2个合适配煤区见图3。

图3 8个样品的SI-CBI数值以及两个合适配煤区

从图3可以确认，所有低温干馏热解样品的SI和CBI既没有落入安宁公司配煤区，也没有落入各国常用配煤区，所以8个低温干馏热解样品都不适合炼焦配煤。

4.2 不适合参数

在SI-CBI二维坐标系中，选择矩形配煤区两条对角线的交点为最佳配煤的SI-CBI坐标，按SI优和CBI优表示，分别计算8个低温干馏热解样品的SICBI坐标与最佳配煤的SI-CBI坐标的距离（dj），计算公式见式（3）。

式中：SIj、CBIj为第j个样品的SI-CBI坐标；SI优、CBI优为最佳配煤的SI-CBI坐标；下角标j为低温干馏样品数，0～7。

将式（3）所计算的距离定义为配煤炼焦不适合度，配煤炼焦不适合度越小，距离越小，就越适合配煤炼焦；而配煤炼焦不适合度越大，距离越大，就越不适合配煤炼焦。

8个低温干馏热解样品到安宁公司最佳配煤区和到各国常用最佳配煤区的距离见图4。

图4 8个低温干馏热解样品到安宁公司配煤区和到各国常用最佳配煤区的距离

从图4可以看出，随着干馏程度加深，样品到安宁公司配煤区的距离由d0=2.96增大到d7=14.51，判定起始样和干燥脱水样是最适合炼焦配煤的，因为这两个样品离合适的配煤炼焦区距离最小；强烈热解阶段的后几个样品已经完全不适合炼焦配煤，因为这些样品离合适的配煤炼焦区距离越来越远。即起始样的距离（d0=2.96）最小，最适合炼焦配煤；低温干馏结束样的距离（d7=14.51）最大，最不适合炼焦配煤。在460℃恒温320 min得到的兰炭到安宁公司配煤区的距离是烘过长焰煤（起始样）距离的4.9倍（14.51/2.96=4.9），而在460℃恒温320 min得到的兰炭到各国常用配煤区的距离是烘过长焰煤（起始样）距离的7.7倍（14.71/1.9=7.7），这解释了未提质低阶煤的配入量是兰炭配入量的5～6倍的原因，更进一步证实煤岩炼焦配煤理论需要所有参配煤不只是符合煤变质程度的要求，煤中各显微组分含量的合理配比也需要得到满足。

5 结论

5.1 采用HYLZ-2型铝甑低温干馏炉，以鄂尔多斯盆地神府-东胜煤田长焰煤为原料，制备了8个在干燥脱水阶段、轻微热解阶段、强烈热解阶段具有不同干馏程度的煤样品，并分别进行煤岩分析。随着热解程度加深，镜质体最大反射率数值由Rmax=0.576%增大到Rmax=1.730%，煤种由长焰煤变为了瘦煤，即长焰煤在低温干馏的过程中可以提质。

5.2 低温干馏过程中，轻微热解阶段镜质体反射率升高最快，其次是干燥脱水阶段，最慢的是强烈热解阶段。

5.3 根据每个样品的反射率分布和活惰比，计算各自的强度指数SI与组分平衡指数CBI以及各对SICBI点到SI-CBI优化配煤矩形区中点的距离（d）j，起始样的距离（d0=2.96）最小，最适合炼焦配煤；低温干馏结束样的距离（d7=14.51）最大，最不适合炼焦配煤。